車床上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)【6張圖紙】
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摘 要
摘 要
工業(yè)機(jī)器人一般可理解為：在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域中的一種自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)（固定式的或是移動(dòng)式的），用于搬運(yùn)材料、工件、操持工具或檢測(cè)裝置，完成各種作業(yè)。
近年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門(mén)新興的學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視。
機(jī)床上料機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它可自動(dòng)地為機(jī)床抓取工件，取代操作人員頻繁取料，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。
機(jī)械手自1999 年投入運(yùn)行, 工作安全可靠, 效果良好, 可用做數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上料設(shè)備和生產(chǎn)線上的自動(dòng)抓取設(shè)備。幾年來(lái), 逐步開(kāi)發(fā)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目, 以機(jī)械手作為實(shí)驗(yàn)(訓(xùn)) 載體, 逐步形成了以學(xué)生為主體、理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式, 激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性和動(dòng)手能力, 為提高學(xué)生的工程素質(zhì)、全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。
關(guān)鍵詞：車床上下料機(jī)械手 氣壓系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
I
Abstract
Abstract
Industrial robot can generally be understood as: in industrial automation applications in the field of a kind of automatic control, can repeat programming, multi-function, many of the freedom of CaoZuoJi (fixed or movable), used for material handling, workpiece, conducted tools or detection device, finish all kinds of assignments.
In recent years with the development of industrial automation manipulator gradually become a new discipline, and the rapid development. Manipulator is widely used in forging press, stamping, forging, welding, assembling, and machining, paint, heat treatment, and other industries. Especially in heavy, high temperature, toxic and dangerous, radioactive, many dust etc of bad labor environment, due to its advantages of significant manipulator by special attention.
Machine feeding manipulator is typical of electromechanical equipment, it can automatically grab for machine tools, to replace the operators frequently take material, the reduction of labor intensity, improve work efficiency.
Manipulator since 1999 are put into operation, safe and reliable work, the effect is good, can be used as nc machine tools automatic feeding equipment and production line acquirement equipment. For several years, and gradually developed related experiment, practice teaching program in experiments (training) as a manipulator carrier, and gradually formed a take the student as the main body, the theory and the practice teaching mode, stimulate the students' creativity and practical ability, to improve the students' project quality, improve the students' comprehensive quality created the basic conditions.
KeyWords：
Lathe up-down material manipulator
Pneumatic system
Structure design
IV
目 錄
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 概述 1
1. 1機(jī)械手的發(fā)展歷史 1
1. 2機(jī)械手的發(fā)展意義 1
1. 3機(jī)械手在機(jī)械制造中的應(yīng)用 2
1. 3.1國(guó)外應(yīng)用 2
1. 3.2國(guó)內(nèi)應(yīng)用 3
第二章 工業(yè)機(jī)械手 4
2.1 工業(yè)機(jī)械手的分類 4
2.2工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式 4
2.2.1氣壓驅(qū)動(dòng) 4
2.2.2液壓驅(qū)動(dòng) 5
2.3 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方法 6
2.3.1手部的設(shè)計(jì) 6
2.3.2腕部的設(shè)計(jì) 7
2.3.3臂部的設(shè)計(jì)要求 8
2.3.4機(jī)械手的行程位置檢測(cè)裝置 9
第三章 車床上下料機(jī)械手方案比較 12
3. 1工業(yè)機(jī)械手概述 12
3. 2方案設(shè)計(jì)和對(duì)比 13
3. 2.1方案1 13
3. 2.2方案2 16
3. 2.3方案3 18
3. 2.4方案對(duì)比 19
第四章 手部計(jì)算與分析 20
4.1 手部計(jì)算與分析 20
4.1.1 滑槽杠桿式手部設(shè)計(jì)的基本要求 20
4.1.2 手部的計(jì)算和分析 20
4.2 腕部計(jì)算與分析 27
4.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 27
4.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 28
4.2.3 腕部擺動(dòng)油缸設(shè)計(jì) 31
4.2.4 選鍵并校核強(qiáng)度 33
4.3 臂部計(jì)算與分析 34
4.3.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 34
4.3.2 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 37
4.4 機(jī)身計(jì)算與分析 45
4.5本章小結(jié) 45
結(jié) 論 46
參考文獻(xiàn) 47
致 謝 48
附 錄 50
第一章 概述
第一章 概述
1. 1機(jī)械手的發(fā)展歷史
人類在改造自然的歷史進(jìn)程中，隨著對(duì)材料、能源和信息這三者的認(rèn)識(shí)和用，不斷創(chuàng)造各種工具（機(jī)器），滿足并推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展。
工業(yè)社會(huì)向信息社會(huì)發(fā)展，生產(chǎn)的自動(dòng)化，應(yīng)變性要求越來(lái)越高，原有機(jī)器系統(tǒng)就顯得龐雜而不靈活，這時(shí)人們就仿造自身的集體和功能，把控制機(jī)、動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、工作機(jī)綜合集中成一體，創(chuàng)造了“集成化”的機(jī)器系統(tǒng)——機(jī)器人。從而引起了生產(chǎn)系統(tǒng)的巨大變革，成為“人——機(jī)器人——?jiǎng)趧?dòng)對(duì)象”，或者“人——機(jī)器人——?jiǎng)恿C(jī)——工作機(jī)——?jiǎng)趧?dòng)對(duì)象”。
機(jī)器人技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，雖然只有短短三十幾年的歷史，但是它卻顯示了旺盛的生命力。近年來(lái)，世界上對(duì)于發(fā)展機(jī)器人的呼聲更是有增無(wú)減，發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相爭(zhēng)先，發(fā)展中國(guó)家急起直追。許多先進(jìn)技術(shù)國(guó)家已先后把發(fā)展機(jī)器人技術(shù)列入國(guó)家計(jì)劃，進(jìn)行大力研究。我國(guó)的機(jī)器人學(xué)的研究也已經(jīng)起步，并把“機(jī)器人開(kāi)發(fā)研究”和柔性制造技術(shù)系統(tǒng)和設(shè)備開(kāi)發(fā)研究等與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的研究課題列入國(guó)家“七五”、“八五”科技發(fā)展計(jì)劃以及“八六三”高科技發(fā)展計(jì)劃。
工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸形成一門(mén)新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。
1. 2機(jī)械手的發(fā)展意義
機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分地代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大地改善工人的勞動(dòng)條件，顯著地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。
近年來(lái)隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展機(jī)械手逐漸成為一門(mén)新興的學(xué)科，并得到了較快的發(fā)展。機(jī)械手廣泛地應(yīng)用于鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機(jī)加、噴漆、熱處理等各個(gè)行業(yè)。特別是在笨重、高溫、有毒、危險(xiǎn)、放射性、多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)而受到特別重視。
機(jī)床上料機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化設(shè)備，它可自動(dòng)地為機(jī)床抓取工件，取代操作人員頻繁取料，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。
總之，機(jī)械手是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的一個(gè)重要手段，國(guó)內(nèi)外都很重視它的應(yīng)用和發(fā)展。
1. 3機(jī)械手在機(jī)械制造中的應(yīng)用
1. 3.1國(guó)外應(yīng)用
美國(guó)制造155毫米的鋼彈體洛克福特軍械廠，從胚料加工開(kāi)始到加工完畢直至彈體包裝都自動(dòng)進(jìn)行，不用人手去接觸，達(dá)到全自動(dòng)生產(chǎn)。
工業(yè)機(jī)械手還能用來(lái)代替人工進(jìn)行打磨、拋光、去毛刺和清理切屑等工作。例如，瑞典一家工廠打磨和拋光不銹鋼子彎頭時(shí)，采用ASEA機(jī)械手，提高加工效率30%以上，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，不傷害工人。又如：瑞典沃爾沃（Valov）公司在機(jī)械手上裝了三個(gè)環(huán)形磨輪裝置，用來(lái)對(duì)傳動(dòng)箱外表面去毛刺，比手工方法節(jié)省工時(shí)50%。
1. 3.2國(guó)內(nèi)應(yīng)用
國(guó)內(nèi)在金屬切削加工中，用機(jī)械手來(lái)完成刀具的自動(dòng)更換。如北京第二機(jī)床廠，北京第八機(jī)床廠，上海第二機(jī)床廠，上海第八機(jī)床廠，寧夏大河機(jī)床廠等單位研制的自動(dòng)換刀機(jī)床，均用機(jī)械手自動(dòng)更換刀具。在生產(chǎn)自動(dòng)線上，用機(jī)械手完成的傳遞和上下料，如：沈陽(yáng)水泵廠深井泵體加工自動(dòng)線，無(wú)錫柴油機(jī)廠和甘肅汽車齒輪廠的齒胚的加工自動(dòng)線都采用了機(jī)械手。大連工礦車輛廠的800Kg側(cè)架的加工，采用機(jī)械手抓取、傳遞和安放并與一些機(jī)床組合成側(cè)架切削加工自動(dòng)線，提高效率10倍。
1. 4機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械手基礎(chǔ)性能的實(shí)驗(yàn)以及基礎(chǔ)理論研究，克服和解決制造技術(shù)及其它存在的問(wèn)題。提高機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度。尤其是應(yīng)用于沖壓行業(yè)中的機(jī)械手，以適應(yīng)提高生產(chǎn)率和符合生產(chǎn)節(jié)拍的需要。要研究解決機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度和緩沖、定位技術(shù)。引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，培訓(xùn)專門(mén)技術(shù)人才，普及機(jī)械手有關(guān)知識(shí)。盡快解決機(jī)械手的定型設(shè)計(jì)、定點(diǎn)、定量生產(chǎn)以及配套件的生產(chǎn)和供應(yīng)問(wèn)題，推進(jìn)機(jī)械手設(shè)計(jì)制造中的現(xiàn)代化（CAD/CAM）、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化工作，以滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求。目前工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，技術(shù)性能不斷提高，其發(fā)展趨勢(shì)是：擴(kuò)大機(jī)械手在工業(yè)上的應(yīng)用、提高工業(yè)機(jī)械手的工作性能、發(fā)展組合式機(jī)械手、研制具有“視覺(jué)”和“觸覺(jué)”的“智能機(jī)器人”。
53
第二章 工業(yè)機(jī)械手
第二章 工業(yè)機(jī)械手
2.1 工業(yè)機(jī)械手的分類
目前對(duì)機(jī)械手尚無(wú)明確的分類標(biāo)準(zhǔn)，全國(guó)各她區(qū)尚未統(tǒng)一，我們按目前應(yīng)用比較多的兩個(gè)方面進(jìn)行分類:
（一)按所搬運(yùn)的工件重量(或稱臂力)分類
1.小型的—臂力在1公斤以下;
2.中型的--—臂力在1~30公斤以內(nèi)、
3.大型的—臂力在30公斤以上。
目前大多數(shù)下業(yè)機(jī)械手其搬運(yùn)的重量為中型的。
(二)按機(jī)能分類
1 簡(jiǎn)易型通用機(jī)械手
有固定程序和可變程序兩種。固定程序由擋塊或凸輪轉(zhuǎn)鼓控制；可變程序用插銷板來(lái)給定程序。這種機(jī)械手多為氣動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，改變程序較容易。只適用于程序較簡(jiǎn)單的點(diǎn)位控制，實(shí)現(xiàn)重復(fù)性操作作為一般單機(jī)服務(wù)的搬運(yùn)工作也完全夠。目前這種機(jī)械手?jǐn)?shù)量最多。
2示教再現(xiàn)通用機(jī)械手
這種機(jī)械由人工通過(guò)示教裝置領(lǐng)動(dòng)一遍，或者予先操作給定一遍，稱為示教。它由磁鼓（或磁帶、磁芯)把程序記錄下來(lái)，此后機(jī)械手就自動(dòng)按記憶的程序，重復(fù)地進(jìn)行鵝環(huán)動(dòng)作。這種機(jī)械手多為電液伺服控制。與前者比較，這種機(jī)械手可有較多的自由度，有可能實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，能進(jìn)行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較大。
3，具有視覺(jué)、觸覺(jué)的通用機(jī)械手
這種機(jī)械手由電子計(jì)算機(jī)控制，裝備有電視攝像管和傳感器等，因而具有視覺(jué)、熱感.觸覺(jué)等。這種機(jī)械手我網(wǎng)日前還處于研制階段。
再次按使用范圍，驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。
按使用范圍分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手
專業(yè)機(jī)械手：一般附屬于工作機(jī)器設(shè)備，動(dòng)作程序固定，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨(dú)立，亦可附屬于工作機(jī)器設(shè)備。
通用機(jī)械手：獨(dú)立工作的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備。在規(guī)格性能的范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同的場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。
按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓機(jī)械手，氣壓機(jī)械手，電動(dòng)機(jī)械手，機(jī)械式機(jī)械手。
液壓機(jī)械手：輸出力大，傳動(dòng)平穩(wěn)。如采用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。液壓系統(tǒng)的密封要求嚴(yán)格，又問(wèn)對(duì)油的粘度影響大。
氣壓機(jī)械手：氣源方便，輸出力小，氣壓傳動(dòng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但工作不太穩(wěn)定，沖擊大，在同樣的抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大。
電動(dòng)機(jī)械手‘直接用直線電機(jī)，功率步進(jìn)電機(jī)和具有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等來(lái)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力源簡(jiǎn)單，不需要能量裝換機(jī)構(gòu)，維護(hù)使用方便。目前這種工業(yè)機(jī)械手尚在發(fā)展之中。
機(jī)械式機(jī)械手：由工作機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，工作可靠，動(dòng)作頻率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但動(dòng)作固定不可變。
按控制系統(tǒng)可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)控制
點(diǎn)位控制：只能控制工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)點(diǎn)的位置，運(yùn)動(dòng)軌跡不受控制。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。
連續(xù)控制：工業(yè)機(jī)械手按給定的速度沿給定的線路（軌跡）實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)時(shí)無(wú)限的，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程都要求處在控制之下。這來(lái)工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)控制。
機(jī)械手的手部是用來(lái)抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機(jī)械手的性能，是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
2.2工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式
工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方法，按驅(qū)動(dòng)源分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)功四種。
2.2.1氣壓驅(qū)動(dòng)
氣壓驅(qū)動(dòng)是一種簡(jiǎn)單、可靠.經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)方式，是以壓縮空氣為動(dòng)力沉來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在機(jī)械加工行業(yè)中的機(jī)械手普遍采用氣壓驅(qū)動(dòng)，用來(lái)完成零件的傳送工作。
(一)氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)
氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是;容易獲得快速運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手可引用一般工廠都有的壓縮空氣源，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，空氣不象油那樣怕熱和易燃;維修方使，特別是和射流控制很容易結(jié)臺(tái)起來(lái)使用。其缺點(diǎn)是:氣限低，出力小，執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積人;壓縮性大，阻尼緩沖效果差，較難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，若要求較高的定位精度，必須增設(shè)較復(fù)雜的緩沖、定位機(jī)構(gòu)。
(二)氣動(dòng)元件簡(jiǎn)介
氣動(dòng)元件種類很多，應(yīng)用范圈也各不相同。目前所謂氣動(dòng)元件，是指氣壓傳動(dòng)中應(yīng)用的各種控制閥和執(zhí)行元件。一般不包括空氣壓縮機(jī)。
1.氣源三大件
分水濾氣器:功用是清除空氣中的水、油及灰塵;
調(diào)壓閥、亦稱減壓閥，能將管道中的空氣壓力保持在某一定數(shù)值:
油霧器:為保證氣動(dòng)裝置可靠地工作，用壓縮空氣將油液噴成霧狀，隨空氣一起流入氣動(dòng)裝置，進(jìn)行潤(rùn)滑。
2.空氣控制閥這是氣動(dòng)元件中主要的一大類，其功用是控制空氣的壓力、流量及流動(dòng)方向，保證氣動(dòng)系統(tǒng)按規(guī)定的程序、速度進(jìn)行工作。
主要分為:
（1）壓力控制閥:包括壓力順序閥、卸荷閥等。
（2）流且控制閥:包括節(jié)流閥、單向節(jié)流閥等。
（3）方向控制閥。包括電磁換向閥、氣動(dòng)換向閥,電磁氣閥、單向閥、梭閥、延時(shí)閥.脈沖閥等。
（4）其他閥:包括各種手動(dòng)閥、腳踏操作閥、氣動(dòng)開(kāi)關(guān)、按鈕、行程閥、轉(zhuǎn)閥等。
3.氣缸作為氣動(dòng)執(zhí)行元件，是一種重要的元件，一般分為單作用氣缸和雙作用氣缸兩種。其結(jié)構(gòu)形式很多，可完成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)。
4 氣動(dòng)馬達(dá) 是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件。
5氣動(dòng)邏輯元件這是近年來(lái)新發(fā)展的一種氣動(dòng)元件，帶有可動(dòng)部件，其作用類似繼電器，可實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能，直接對(duì)氣動(dòng)裝置進(jìn)行控制。其結(jié)構(gòu)類似小型閥門(mén)。
6.管路附件包括各種管接頭、消聲器、壓力繼電器、安個(gè)閥.壓力表等。
另外，還有一些氣液裝置，如氣一液泵、氣一液缸、氣一液增壓裝置等，一般也屬于氣動(dòng)元件的范圍。
2.2.2液壓驅(qū)動(dòng)
在機(jī)械手中液壓驅(qū)動(dòng)是用的最多的方式。利用油缸、油馬達(dá)和齒條齒輪實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，利用回轉(zhuǎn)油缸、油馬達(dá)與齒輪齒條或鏈輪鏈條實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
(一)液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)
1.液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)
(1)壓力高，油壓可達(dá)10- I40公斤/厘米的壓力。可以獲得較大的操作力。
（2)液體的壓縮比較小，可以認(rèn)為沒(méi)有壓縮性，因此控制系統(tǒng)的滯后也幾乎沒(méi)有，動(dòng)作平穩(wěn)，快速反應(yīng)性好。
(3)壓力、流量容易調(diào)節(jié)，控制性能好，可以實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，定位精度高。
（4)液壓操縱裝置形體小而且牢固，可耐振動(dòng)和沖擊。
（5）可無(wú)級(jí)變速
（6）液壓油有良好的潤(rùn)滑性
2 液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)
（1）需單獨(dú)配備液壓源
（2）管線系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高
（3）液壓系統(tǒng)的泄露會(huì)嚴(yán)重影響其使用性能
（4）油的粘度對(duì)溫度的變化敏感
3液壓系統(tǒng)的組成
1動(dòng)力元件--油泵
2執(zhí)行元件--油缸，油馬達(dá)
3控制元件 各種控制閥等
4輔助元件--如郵箱，濾油器，油管和管接頭等
2.3 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方法
機(jī)械手的手部是用來(lái)抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機(jī)械手的性能，是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
2.3.1手部的設(shè)計(jì)
手部的設(shè)計(jì)要求：
1.手部應(yīng)有足夠的夾緊力，除工件的重力外，還要能不使工件在傳送過(guò)程中松動(dòng)或脫落;
2.夾持范國(guó)要與工件相適應(yīng)。手爪的張開(kāi)角度（手爪張開(kāi)或閉合時(shí)兩個(gè)極限位置所擺動(dòng)的角度 )應(yīng)能適應(yīng)夾緊較大的直徑范圍 ;
3.夾持精度要高。既耍求工件在手爪內(nèi)定位準(zhǔn)確，又不夾壞工件表而。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu):如元住形工件應(yīng)采用帶V形槽的手爪來(lái)定位，對(duì)于工件表面光潔度較高的，應(yīng)在手爪上鑲銅、夾布膠木或其他軟質(zhì)墊片等;
4.夾持動(dòng)作要迅速、靈活;
5.手部結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單緊湊，剛性好、自重輕、易磨損處應(yīng)便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。
手部結(jié)構(gòu)
手爪的類型大致分為下列三種:
1.夾持式手爪，根據(jù)手爪的動(dòng)作可分為回轉(zhuǎn)型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指和多指式;根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內(nèi)脹式兩種。
2.吸附式手爪。分為真空吸盤(pán)式和電磁吸盤(pán)式兩種。真空吸盤(pán)式又分為真空泵式和氣流負(fù)壓式。
3帶觸覺(jué)或視覺(jué)的手爪
2.3.2腕部的設(shè)計(jì)
1 腕部自由度的選取
在臂部運(yùn)動(dòng)的范圍內(nèi)，當(dāng)可以滿足抓取工件和傳送工件等要求時(shí)，應(yīng)盡可能不設(shè)計(jì)腕部的運(yùn)動(dòng)。這樣，則可使機(jī)械乎結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方使和成本降低。
根據(jù)抓取對(duì)象和機(jī)械手的坐標(biāo)形式的需要，可增加腕部的自由度。如腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這是在手爪夾持工件后，需要翻轉(zhuǎn)角度，或者機(jī)械手從一個(gè)工位轉(zhuǎn)到另一個(gè)工位時(shí)，需要工件翻轉(zhuǎn)。若是采用臂部回轉(zhuǎn)則使機(jī)械手的穩(wěn)定性降低，因?yàn)?，臂部長(zhǎng)度大，回轉(zhuǎn)時(shí)稍有偏心(特別是高速回轉(zhuǎn)時(shí)〕，使機(jī)械手的離心力增加，臂部震動(dòng)加大，影響定位精度。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)腕部的回轉(zhuǎn)。若機(jī)械手是球坐標(biāo)形式，腕部應(yīng)設(shè)計(jì)具有俯仰運(yùn)動(dòng)，以保持手爪處于水平位置，不影響手爪的工作。
還要根據(jù)加工工藝的要求，設(shè)計(jì)腕部都在Y軸力向的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)。如機(jī)械手將工件送到某一工位后，需要把工件定位夾緊，為使機(jī)床運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化，而要求腕部沿Y抽方向做少量的移位的運(yùn)動(dòng)。如用頂尖支承的軸類零件。在用機(jī)械手取下工件時(shí)，為脫離主軸頂尖,而需要有腕部的橫移運(yùn)功。
總之.腕部白由度的選取應(yīng)在臂部自由度確定以后，再根據(jù)工件的料道位置、工藝要求、應(yīng)用范圍及制造成本等方面綜合分析，以確定最佳的方案，確定出腕部合適的自由度數(shù)。
2 腕部的動(dòng)作要靈活、自重要輕
在設(shè)計(jì)腕部結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，減輕結(jié)構(gòu)的重量。機(jī)械手配合機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，腕部的動(dòng)作時(shí)間往往在幾秒鐘以內(nèi)，甚至不超過(guò)一秒，所以腕部一定要靈活，在保證構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度的條件下，回轉(zhuǎn)件盡量采用滾動(dòng)軸承或滾柱，減少阻力，降低摩擦.
3 腕部運(yùn)動(dòng)位置要準(zhǔn)確
手腕的回轉(zhuǎn)、俯仰與左右擺動(dòng)等運(yùn)動(dòng)位置都要求準(zhǔn)確，除對(duì)零部件配合精度嚴(yán)格要求以外，要采取措施消除傳動(dòng)部件之間的間隙，根據(jù)需要可設(shè)置位置檢測(cè)元件，來(lái)控制手腕的準(zhǔn)確位置。
2.3.3臂部的設(shè)計(jì)要求
(一)臂部應(yīng)承受能力大，剛性好，自重輕
根據(jù)公式 懸臂梁的撓度公式式中
Y-----撓度
E-----彈性模數(shù)
Q-----載荷
J-----慣性矩
L-----懸臂長(zhǎng)
撓度與載荷、懸臂長(zhǎng)成正比，而與彈性模數(shù)，慣性矩成反比。在Q與L值已確定的情況下，只有增大EJ值，才能減少梁的彎曲變形，而碳鋼和合金鋼的E值差別不大，在~之間。所以、為了提高剛度，從材質(zhì)上考慮意義不大.
主要應(yīng)選用慣性矩]大的梁。在載面積和單位重量基本相同的情祝下，鋼管，工字鋼和槽鋼的慣性矩要比元鋼大得多，所以，機(jī)械于中常用無(wú)縫鋼管作導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作支撐板。這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的白重 為增加剛性，還應(yīng)采取以下措施:
1.在設(shè)計(jì)臂部時(shí)，元件越多，間隙越大，剛性就越低，囚此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。要全而分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定調(diào)整補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以減少重要部位的間隙，從而提高剛性。
2.全而分析手臂的受力情況，合理分配給手臂的各個(gè)部件，避免不利的受力情況出現(xiàn)。
3.水平放且的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度.同時(shí)提高其配合精度和相對(duì)位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或大部分自重和抓取重量。
4.提高活塞和缸體內(nèi)徑配合精度，可以提高手臂在前伸時(shí)的剛性。
（二）臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來(lái)決定的。確定了生產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運(yùn)行速度〔或角速度）。在一般情況下，手臂的移動(dòng)和回轉(zhuǎn)均要求勻速運(yùn)動(dòng)(v和為常數(shù)〕，但在手臂的起動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的。為了減少?zèng)_擊，要求起動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。
從上述公式可知，減少慣性力矩，可采取下列措施:
1.減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，如采用鋁合金等輕質(zhì)材料、
2.減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸，使手臂結(jié)構(gòu)緊湊小巧，
3減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，一般是先縮回再回轉(zhuǎn)或盡可能在較小前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作。
4，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中加設(shè)緩沖裝置。
（三）臂部動(dòng)作要靈活
要使手臂運(yùn)動(dòng)輕快靈活，手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊小巧，或在運(yùn)動(dòng)臂上加滾動(dòng)軸承或采用滾珠導(dǎo)軌。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手手臂上零部件的布置要合理，以減少回轉(zhuǎn)升降支承中心的偏重力矩。不然，會(huì)引起手臂振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使手臂與立柱卡住別壞。對(duì)于雙臂同時(shí)操作的機(jī)械手。應(yīng)使兩臂布置盡量對(duì)稱以達(dá)到平衡。
(四)位置精度要高
手臂的剛性好、偏重小、慣性力小，則位置精度就容易控制，所以設(shè)計(jì)手臂時(shí)要周密考慮和計(jì)算;還要合理的選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式，一般說(shuō)來(lái)，直角和元柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和自動(dòng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，來(lái)控制手臂運(yùn)動(dòng)的位置精度;還要減少或消除各傳動(dòng)，嚙合件的間隙。
除了上述幾點(diǎn)外，機(jī)械手的通用性要好，以適應(yīng)多種作業(yè)的要求，工藝性要好，便于加工和安裝;用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮熱輻射的影響，手臂要長(zhǎng)些，使驅(qū)動(dòng)部分遠(yuǎn)離熱源，并裝上冷卻裝置;用子作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手，還要設(shè)置防塵裝置等。
上面這些要求，往往是互相影響和互相制約的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面分析各方面因素，綜合考慮，以設(shè)計(jì)出性能良好的機(jī)械手。
2.3.4機(jī)械手的行程位置檢測(cè)裝置
行程位置檢測(cè)裝置的作用，是控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)位置，或者利用檢測(cè)裝置，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)位置進(jìn)行控制。如把運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的位置反饋給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其運(yùn)動(dòng)停止在規(guī)定位置上，以便保證對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的定位精度。
圖2-1
檢測(cè)裝置把實(shí)際位置信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，差值送入放大器，控制電液比例潤(rùn)的流最或壓力，使機(jī)械手平穩(wěn)準(zhǔn)確停在一定的位置上。檢測(cè)裝置應(yīng)用有電位器、編碼器和剛性機(jī)構(gòu)等。
機(jī)械手的定位精度指的是頻繁的往復(fù)運(yùn)功中的重復(fù)定位精度。影響保持一定的定位精度的因素是很多的。如手臂的剛性、油液的做度變化.位置檢測(cè)元件的類型及執(zhí)行環(huán)節(jié)的誤差等，都時(shí)重復(fù)定位精度有嚴(yán)重影響。
由于機(jī)械手應(yīng)用在不同的環(huán)境，而且大多數(shù)是應(yīng)用在周圍環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)中。因此.對(duì)行程位置檢測(cè)裝置育下列幾點(diǎn)要求:
在機(jī)械性能方面。要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、體積小，壽命長(zhǎng)和維修方便;
在使用環(huán)境方面，要能在振動(dòng)、油污等條件下穩(wěn)定和可靠地工作;
在電氣性能方面:要有高抗干擾能力，高精度，長(zhǎng)期使用時(shí)精度不變。
行程位置檢測(cè)裝置有機(jī)械的、模擬的和數(shù)字的三種。
（一） 機(jī)械式行程位置檢測(cè)裝置主要由機(jī)械擋塊 可調(diào)擋塊 限位開(kāi)關(guān)等。
（二）模擬式行程位置檢測(cè)裝置
模擬式行程位置檢測(cè)裝置是用電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器或者感應(yīng)同步器等裝置，將規(guī)定值予先發(fā)送給控制系統(tǒng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，執(zhí)行元件上的檢測(cè)器不斷地將實(shí)際值發(fā)送給控制系統(tǒng)與規(guī)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，調(diào)整運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，使運(yùn)動(dòng)達(dá)到規(guī)定的位置。
包括電位器自整角機(jī)，旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器組成。
（三） 數(shù)字式行程位置檢測(cè)裝置
包括光電信號(hào)轉(zhuǎn)變器，光柵檢測(cè)器和光電式雙碼盤(pán)編輯器
第三章 車床上下料機(jī)械手
第三章 車床上下料機(jī)械手方案比較
3. 1工業(yè)機(jī)械手概述
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的的傳動(dòng)裝置。常用的有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式?？刂葡到y(tǒng)由電器控制和射流控制兩種。它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)。位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度到達(dá)設(shè)定位置。設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)應(yīng)考慮的因素很多，但從機(jī)械手的特點(diǎn)來(lái)分析有以下幾點(diǎn)：
1）抓重：是機(jī)械手所能抓取或搬運(yùn)的最大重量。一般抓重1kg 以下的定為微型，1-5kg的定為小型，5-30kg 的定為中型，30kg 以上的定為大型。
2）自由度和坐標(biāo)型式：自由度是機(jī)械手的每一個(gè)構(gòu)件相對(duì)固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)自由度。因手指的夾放動(dòng)作不能改變工件的位置和方位，故它不不計(jì)為自由度數(shù)，其它運(yùn)動(dòng)均計(jì)為自由度數(shù)。按機(jī)械手的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。機(jī)械手的自由度數(shù)和坐標(biāo)形式應(yīng)根據(jù)機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)具體的生產(chǎn)情況和工藝的要求而定。
3）運(yùn)動(dòng)速度：它反應(yīng)了機(jī)械手的生產(chǎn)水平，影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要運(yùn)動(dòng)是手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂的運(yùn)動(dòng)速度大小與機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式、定位方式、抓重大小和行程距離有關(guān)。手臂的運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)械手的速度影響最大，因此，手臂的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間長(zhǎng)短、生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來(lái)確定。
4）行程范圍：主要受手臂的伸縮行程影響，其行程范圍大多在500-1000mm 范圍內(nèi)。
除上述主要參數(shù)外，還應(yīng)考慮定位方式和位置檢測(cè)裝置的選用。
機(jī)械手由機(jī)座、機(jī)械臂、手爪、PLC 可編程控制器及氣源等部分組成?？梢酝瓿伤奖鄣臄[動(dòng)和伸縮、垂直臂的伸縮、手爪的旋轉(zhuǎn)和抓取物料等動(dòng)作, 準(zhǔn)確地把物料送到指定位置。在機(jī)床的送料高度、物料的擺放位置、抓取高度、工件的重量等確定后, 機(jī)械手各部分的空間幾何位置以及工作空間、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等即可確定,各個(gè)動(dòng)作即可按給定順序和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)要求完成。氣動(dòng)系統(tǒng)考慮了使用載荷、機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能等因素, 水平臂的擺動(dòng)和伸縮、垂直臂的伸縮、手爪的擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度均可調(diào)節(jié)。
3. 2方案設(shè)計(jì)和對(duì)比
3. 2.1方案1
目前工廠中的設(shè)備是采用壓縮空氣作為動(dòng)力源，氣缸做動(dòng)作執(zhí)行元件。但現(xiàn)有的設(shè)備中沒(méi)有上下料機(jī)械手。生產(chǎn)中，是人工將工件從設(shè)備的運(yùn)送槽中搬出再安裝到數(shù)控機(jī)床上。這樣生產(chǎn)的節(jié)拍受到限制，不能發(fā)揮出設(shè)備的最佳生產(chǎn)效率。因此，在本設(shè)計(jì)中采用工業(yè)機(jī)械手和相關(guān)的輔助分析現(xiàn)有設(shè)備及工廠的實(shí)際生產(chǎn)狀況，提出本方案。
見(jiàn)圖-1 上下料機(jī)械手方案1。仍采用壓縮空氣作為動(dòng)力源，氣缸做動(dòng)作執(zhí)行元件。用制動(dòng)氣缸1通過(guò)滑塊2帶動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng)，升降氣缸3控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取動(dòng)作的上下運(yùn)動(dòng)，夾緊氣缸4控制實(shí)現(xiàn)手指的張開(kāi)和閉合。
圖1 方案一
其動(dòng)作過(guò)程依次為：制動(dòng)缸前送，推動(dòng)滑塊將機(jī)械手送到工件上方，升降缸下放，將機(jī)械手放置到工件上，此時(shí)機(jī)械手是張開(kāi)狀態(tài)，夾緊缸夾緊工件，升降缸上升至安全高度，制動(dòng)缸拉動(dòng)滑塊帶動(dòng)手臂回至車床上方，升降缸下放手爪，使工件處于車床頂尖與卡盤(pán)之間，夾緊缸松開(kāi)工件。
圖2 方案一抓取動(dòng)作
圖3 方案一提升動(dòng)作
3. 2.2方案2
采用液壓缸作為執(zhí)行元件。采用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，手爪為鉗爪式。
圖4 方案二設(shè)計(jì)思路
將機(jī)械手設(shè)置在車床旁邊，以液壓缸為執(zhí)行元件，用升降油缸實(shí)現(xiàn)立柱的上升和下降，用回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)手臂的旋轉(zhuǎn)，用手臂伸縮油缸實(shí)現(xiàn)手臂的前伸與收回，用碗部回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)手爪的旋轉(zhuǎn)。如圖5所示：
圖5 方案二機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖
圖6為機(jī)械手工作原理
圖6 方案二機(jī)械手功能原理
動(dòng)作順序?yàn)椋荷蹈咨仙直矍吧?，手爪旋轉(zhuǎn)至合適位置，手爪抓緊工件，手臂收縮，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)手臂轉(zhuǎn)至車床卡盤(pán)前，手臂前伸至卡盤(pán)與頂尖之間，手爪松開(kāi)工件，手臂回縮，旋轉(zhuǎn)缸反轉(zhuǎn)，立柱下降。
3. 2.3方案3
仍采用壓縮空氣為動(dòng)力源，氣缸為執(zhí)行元件，采用與方案二相似的結(jié)構(gòu)，采用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，結(jié)構(gòu)與方案二大致相同，省去了碗部的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。如圖7所示：
圖7 方案3機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖
動(dòng)作順序?yàn)椋荷蹈咨仙?，手臂前伸，手爪旋轉(zhuǎn)至合適位置，手爪抓緊工件，手臂收縮，旋轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)手臂轉(zhuǎn)至車床卡盤(pán)前，手臂前伸至卡盤(pán)與頂尖之間，手爪松開(kāi)工件，手臂回縮，旋轉(zhuǎn)缸反轉(zhuǎn)，立柱下降，然后重復(fù)先前動(dòng)作順序。
3. 2.4方案對(duì)比
方案1采用的是懸掛式機(jī)械手臂設(shè)計(jì)，但是考慮到生產(chǎn)環(huán)境的因素，懸掛式占據(jù)空間比較大且工作范圍小，慣性大且靈活性差，且維修不方便，故不采用方案1。
方案2采用的是圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，優(yōu)點(diǎn)是這種形式的機(jī)械手臂均具有回轉(zhuǎn)、伸縮與升降三個(gè)自由度，其運(yùn)動(dòng)范圍的圖形為一個(gè)圓柱體，它與直角坐標(biāo)型比較，占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，并能達(dá)到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，運(yùn)動(dòng)直觀性較強(qiáng)。
方案3與方案2不同之處是方案3采用的是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)是氣源方便、維修簡(jiǎn)單、易于獲得高速度、低成本、防火防爆、漏氣對(duì)環(huán)境無(wú)影響。液壓驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)是操作力大體積小，動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊耐振動(dòng)，但漏油對(duì)系統(tǒng)的工作性能影響較大，且與氣動(dòng)比較起來(lái)成本較高。因此，設(shè)計(jì)中采用氣動(dòng)機(jī)械手。
綜上所述，最后選用方案3。
第四章 手部計(jì)算與分析
第四章 手部計(jì)算與分析
4.1 手部計(jì)算與分析
手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見(jiàn)的主要有夾鉗式，本設(shè)計(jì)主要考慮夾鉗式手部設(shè)計(jì)。
夾鉗式手部是由手指，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成，它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸，盤(pán)，套類零件，一般情況下多采用兩個(gè)手指。
4.1.1 滑槽杠桿式手部設(shè)計(jì)的基本要求
(1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。
(2)手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍。
(3)應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度。
(4)要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。
(5)應(yīng)考慮通用性和特殊要求。
4.1.2 手部的計(jì)算和分析
（1）手部受力分析
圖4.1 手部受力圖(1)
圖4.2手部受力圖(2)
?。?）手指尺寸初步設(shè)定
由拉桿的力平衡條件：
得
由得
又由工件的平均半徑
mm
初取V型手指的夾角2
mm，，，，滑桿總長(zhǎng)h=170
(3)夾緊力計(jì)算
又由于工件的直徑不影響其軸心的位置即定位誤差為零，手指水平位置夾取水平位置放置的工件。
由工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)表2－1查得
握力 N＝0.5G=0.5×25=12.5kg
又因?yàn)?
（4.1）
當(dāng)取最小值時(shí)，則增力比較大，手指走到最小行程時(shí)則有
則
又因?yàn)?amin=19.88kg
取安全系數(shù)，工作情況系數(shù)
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率
(4.2)
手指夾緊時(shí)：夾緊缸活塞移動(dòng)范圍L＝130mm，其動(dòng)作時(shí)間t=1.5s（由機(jī)械手的動(dòng)作節(jié)拍時(shí)間得之），所以?shī)A緊活塞移動(dòng)得平均速度v為：
運(yùn)動(dòng)部件得總重估算G＝10kg
夾緊力N與驅(qū)動(dòng)力P的關(guān)系：
由于結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，在驅(qū)動(dòng)力P的作用下，每一滑槽杠桿受力相等
圖4.3夾緊力與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系圖
在不計(jì)摩擦力的情況下
，為夾緊狀態(tài)得傾斜角＝50夾緊工件半徑為50mm為例
＝38.9kg (4.3)
根據(jù)各力對(duì)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的力矩平衡條件，同樣在不計(jì)摩擦力的情況下
，c為杠桿動(dòng)力臂，即驅(qū)動(dòng)銷對(duì)滑槽杠桿作用力對(duì)支點(diǎn)的垂直距離。
又因?yàn)閍=50mm
C=
則 Nb=
當(dāng)夾緊半徑為25mm的工件時(shí)，＝
則Nb=
(4)動(dòng)作特性和傳動(dòng)特點(diǎn)
定位到最大行程時(shí)，
則取
又因?yàn)椋?
滑槽杠桿手指最大開(kāi)閉角為
滑槽傾斜角的變化范圍可以為
可見(jiàn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比將在下列范圍內(nèi)變化
，
所以開(kāi)始所初步取的a，b與均符合要求。
（5）確定夾緊油缸外徑D
驅(qū)動(dòng)桿行程與手指開(kāi)閉范圍關(guān)系
?。謩e為手指夾緊工件范圍值時(shí)，滑槽相對(duì)于兩支點(diǎn)連接的傾斜角。
機(jī)構(gòu)效率
考慮到機(jī)構(gòu)效率，傳力比N/P的公式應(yīng)力
＝0.9
又因?yàn)镚=250N,夾緊力F=500N,
-工作負(fù)載即為重物重力＝250N。
－導(dǎo)軌摩擦阻力負(fù)載，對(duì)于平導(dǎo)軌
－垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，＝0。
f-導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。
，
，一般?。?.010.5s，時(shí)間內(nèi)速度變化量
啟動(dòng)：
穩(wěn)態(tài)：
工作壓力P的確定，工作壓力根據(jù)負(fù)載大小及機(jī)器的類型來(lái)初步確定。參閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表37.5按載荷選擇工作壓力為1。
計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d，由負(fù)載可知最大負(fù)載F為275N。
根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)表2－2可取為0.5，為0.95，d/D為0.7。
又因?yàn)?
(4.4)
根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)表2－4，將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑D=25mm,活塞桿直徑按d/D＝0.7及表2－5活塞直徑系列取d=18mm。
按工作要求夾緊力為一個(gè)夾緊缸提供，考慮到夾緊力的穩(wěn)定性。夾緊缸的工作壓力應(yīng)大于復(fù)位彈簧的彈力。
又因?yàn)檫M(jìn)油缸在有桿腔，則其有效工作面積
(4.5)
液壓缸壁厚和外徑計(jì)算
，為最大工作壓力的1.5倍，＝1.5。
高強(qiáng)度鑄鐵，＝60
液壓缸工作行程的確定，并參照表2－6中的系列尺寸選取標(biāo)準(zhǔn)值S=100mm。
缸蓋厚度的確定
一般液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度t按強(qiáng)度要求計(jì)算。
(4.6)
現(xiàn)取t=20mm。
活塞的寬度B一般取B=()D=0.6D=15mm。
夾緊缸彈簧的確定。
彈簧工作載荷F=50N
最大軸直徑
最小筒直徑
彈簧剛度
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表30.2－8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得
材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm .
單圈彈簧工作極限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度。
(4.7)
曲度系數(shù)＝1.14，G－彈簧材料的剪切彈性模量，鋼材G=
Z=110mm,則活塞缸總長(zhǎng)L=120mm。
4.2 腕部計(jì)算與分析
4.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求
手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕具有獨(dú)立的自由度，此設(shè)計(jì)手腕有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和沿X軸左右擺動(dòng)兩個(gè)自由度。手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸，擺動(dòng)也采用回轉(zhuǎn)油缸。他的結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，自由度符合設(shè)計(jì)要求，它要求嚴(yán)格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。
1.腕部處于臂部的前端，它連同手部的動(dòng)靜載荷均由臂部承受。腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)動(dòng)性能。因此在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
2.腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)聯(lián)接和支承作用，除了保證力和運(yùn)動(dòng)的要求以及具有足夠的強(qiáng)度和剛度外還應(yīng)綜合考慮合理布局腕部和手部的連接、腕部自由度的檢測(cè)和位置檢測(cè)、管線布置以及潤(rùn)滑、維修調(diào)整等問(wèn)題。
3.腕部設(shè)計(jì)應(yīng)充分估計(jì)環(huán)境對(duì)腕部的不良影響（如熱膨脹，壓力油的粘度和燃點(diǎn)，有關(guān)材料及電控電測(cè)元件的耐熱性等問(wèn)題）。
4.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算
腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服以下幾種阻力：
1.腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩
從圖3.4可知：＝××-軸承直徑（m）
式中：－軸承處支反力；可靜力學(xué)平衡方程求得。
f-軸承的摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承f=
為簡(jiǎn)化計(jì)算取
圖3.4 腕部回轉(zhuǎn)支承處的受力圖
-工件重量（kgf），-手部重量（kgf），－手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重量（kgf）
2.克服由于重心偏置所引起的力矩
＝（kgf）
式中e－工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）
3.克服啟動(dòng)慣性，所需的力矩
啟動(dòng)過(guò)程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角加速度及啟動(dòng)所用的角速度：
＝ (4.8)
式中：－工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
J－手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
－手腕回轉(zhuǎn)過(guò)程的角加速
－啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（度）
手腕回轉(zhuǎn)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)當(dāng)?shù)扔谏鲜鋈?xiàng)之和。
(4.9)
因?yàn)槭滞蠡剞D(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不是很大，手腕起動(dòng)過(guò)程所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也不大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以將計(jì)算，適當(dāng)放大，而省略掉，這時(shí)
(1)設(shè)手指，手指驅(qū)動(dòng)油缸及回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)動(dòng)件為一個(gè)等效圓柱體，L=50cm，直徑D=10cm，則m=27.5kg。
(2)摩擦阻力矩＝0.1
(3)設(shè)起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度＝,等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度
計(jì)算：求＝
查型鋼表有：
代入＝256（N·m）
＝0;＝0.1;＝0.1+265
M=
確定轉(zhuǎn)軸的最小尺寸
，－抗扭剖面模量
，查得
，，取轉(zhuǎn)軸直徑d=40mm。
4.回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩，機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
所采用的單葉片回轉(zhuǎn)油缸，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與轉(zhuǎn)軸5固連，當(dāng)a,b口分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)達(dá)到手腕回轉(zhuǎn)目的。
M= (4.10)
式中：—手腕回轉(zhuǎn)總的阻力矩（N·m）
P—回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力
r—缸體內(nèi)徑半徑（cm）
R—輸出軸半徑（cm）
b—?jiǎng)悠瑢挾?
注：可按外形要求或安裝空間大小，先設(shè)定b,R,r中兩個(gè)：
=1.5—2.5,,取=2，=3
又因?yàn)閐=40mm，則D=80mm，b=60mm
去頂回轉(zhuǎn)油缸工作壓力：
(4.11)
由于系統(tǒng)工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此壓力，因此回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力足以克服摩擦力。
4.2.3 腕部擺動(dòng)油缸設(shè)計(jì)
偏離重心e的計(jì)算及
圖4.5 腕部擺動(dòng)油缸設(shè)計(jì)尺寸圖
估計(jì)L=45cm，，
=30cm
克服重心偏置所需的力矩
克服摩擦所需力矩
=0.1cm
克服運(yùn)動(dòng)慣性所需的力矩
=0.7654(kg-m-)
==25=5.1(kg-m-)
=5.8654(kg-m-)
=JW/t
設(shè)w=,
=0.0175/=12.83(kgf·m)
則擺動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力矩
=32.14(kgf·m)
確定轉(zhuǎn)軸的最小直徑
抗拒剖面摸量
所需驅(qū)動(dòng)力矩
(4.12)
取d=50mm
所以機(jī)械手的擺動(dòng)采用單葉片回轉(zhuǎn)油缸，定片與缸體固連，動(dòng)片與轉(zhuǎn)軸固連，當(dāng)兩油口分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到腕部擺動(dòng)目的。
(4.13)
又因?yàn)椋?1.5—2.5,，取=2，=3
所以：d=50mm，所以D=100mm，b=75mm
確定回轉(zhuǎn)油缸工作壓力
(4.14)
由于系統(tǒng)工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此壓力，因此該缸的工作壓力足以克服摩擦力。
4.2.4 選鍵并校核強(qiáng)度
轉(zhuǎn)軸直徑d=40mm,由GB1095-79選鍵為bh=128
轉(zhuǎn)軸直徑d=50mm,由GB1095-79選鍵為bh=2010
鍵校核如下公式
=2T/kld[]，K——接觸面的高度
取接方式：靜連接，輕微沖擊，查得=100
所以滿足要求
4.3 臂部計(jì)算與分析
4.3.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求
手臂部件是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶動(dòng)它們作空間轉(zhuǎn)動(dòng)。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。因此，臂部具有兩個(gè)自由度才能滿足基本要求：即手臂，左右回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由油缸驅(qū)動(dòng)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的靜動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。因而，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機(jī)械手的工作性能。
機(jī)身是固定的，它直接承受和傳動(dòng)手臂的部件，實(shí)現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。臂部要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，需滿足下列各項(xiàng)基本要求：
1.機(jī)械手臂式機(jī)身的承載
機(jī)械手臂式機(jī)身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長(zhǎng)度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對(duì)于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能，位置精度和負(fù)荷能力等影響很大。為可提高剛度，盡量縮短臂桿的懸伸長(zhǎng)度，還應(yīng)注意：
(1)根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸
臂部和機(jī)身既受彎曲（而且不僅是一個(gè)方向的彎曲）也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。所以機(jī)械手常用工字鋼或槽鋼作為支撐板，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及管道，有利于結(jié)構(gòu)的緊湊，外形整齊。
(2)高支承剛度和選擇支承間的距離
臂部和機(jī)身的變形量不僅與本身剛度有關(guān)，而且同支撐的剛度和支撐件間距離有很大關(guān)系，要提高剛度，除從支座的結(jié)構(gòu)形狀，底板的剛度以及支座與底版的連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的接觸剛度。
(3)合理布置作用力的位置和方向
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合具體受力情況，設(shè)法使各作用力的變形相互抵消。
(1)設(shè)計(jì)臂部時(shí)，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理，確定調(diào)整補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以及減少重要不見(jiàn)的間隙，從而提高剛度。
(2)水平放置的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度，同時(shí)提高其配合精度和相對(duì)位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或者大部分自重。
(3)提高活塞和剛體內(nèi)徑配合精度，以提高手臂俯仰的剛度。
2.臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小
機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平，一般時(shí)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來(lái)決定。在一般情況，手臂回轉(zhuǎn)俯仰均要求均速運(yùn)動(dòng)，（V和w為常數(shù)），但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。
對(duì)于告訴運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在1000～1500mm/s，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi)，在大部分行程距離上平均移動(dòng)速度為1000mm/s內(nèi)，平均回轉(zhuǎn)角速度為內(nèi)。
為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的措施：
(1)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。
(2)減少手臂運(yùn)動(dòng)件的尺寸輪廓。
(3)減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸），
盡可能在前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作，并且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。
3.手臂動(dòng)作應(yīng)靈活
為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。
對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件，導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死”的現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。
(1)計(jì)算零件重量，可分解為規(guī)則的體形進(jìn)行計(jì)算。
(2)計(jì)算零件重心位置，求出重心至回轉(zhuǎn)軸線的距離。
(3)求重心位置并計(jì)算偏重力臂
(4.15)
(4.16)
(4)計(jì)算偏重力矩
(4.17)
4.位置精度要高
一般說(shuō)來(lái)，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度教高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，精度差；在手冊(cè)上加設(shè)定位裝置和自檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度，檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)，嚙合件的間隙。
除此之外，要求機(jī)械手同用性要好，能適合做種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手，還要設(shè)置防塵裝置等。
4.3.2 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算
通常先進(jìn)行粗略的估算，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，在進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。
為了便于進(jìn)行液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算，分別俯仰缸回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì)敘述如下：
1.小臂設(shè)計(jì)
設(shè)小臂L=40cm,D=60cm
則m=
則手臂總重，L=100mm
=0.79kg
俯仰缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
圖4.6 仰俯缸的設(shè)計(jì)尺寸圖
設(shè)，，
當(dāng)手臂處在仰角為的位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)力P通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩為
因?yàn)椋?
又因?yàn)?
=，=，
而P=
P—油缸的工作壓力（）
D—油缸內(nèi)徑（cm）
—活塞缸與缸徑，活塞桿與端差的密封裝置處的摩擦阻力（kg）
—通油箱，=0
10590.3kg取=10600kg
106000.8=60356.601kg·cm
當(dāng)手臂處在俯角為的位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)力P通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力
因?yàn)椋?
所以
則
當(dāng)手臂處在水平位置即為驅(qū)動(dòng)力矩時(shí)
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